选区激光熔化成形（Al2O3+SiC）颗粒混杂增强铝基复合材料的数值模拟与组织性能研究

作     者：刘长根 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卓龙超;卢金文

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：选区激光熔化 铝基复合材料 混杂陶瓷颗粒增强 数值模拟 力学性能 

摘      要：相较于单一颗粒增强的铝基复合材料,混杂增强型铝基复合材料因其更致密的组织结构和卓越的机械性能,在工业领域展现出更广阔的应用前景。选区激光熔化(SLM)技术,与传统的铸造等加工方法相比,展现出其独特优势:材料利用率高、可制备的材料晶粒更细致,且特别适合复杂零件的制备。鉴于大多数现有研究集中于单一颗粒增强的铝基复合材料,深入探究混杂增强铝基复合材料的SLM加工窗口及其微观组织变得尤为重要。本研究选用纳米级A12O3、亚微米SiC、微米级Al2O3多种颗粒与AlSi10Mg粉末混合,采用溶剂辅助分散及低能行星球磨法实现混合。使用SLM技术对混合粉末进行成形,详细分析了激光扫描速率和扫描间距对材料微观组织、致密度、显微结构及力学性能的影响。 为避免在初期探索最佳SLM工艺窗口时浪费资源,使用ABAQUS有限元分析软件进行了热力耦合数值模拟。采用高斯体热源模型并考虑了热对流和热辐射的影响,选用适当的热本构方程。探究了不同激光功率、扫描速度和扫描间距对温度场分布和熔池形貌的影响,研究发现在激光功率230 W、扫描速度500 mm/s、扫描间距70μm的条件下,可以获得理想的熔池温度和尺寸,为SLM过程中的最佳工艺条件。 以温度场的研究结果为基础,采用顺序耦合方法,并考虑了材料的热弹塑性特性,研究了不同扫描速度和扫描间距对SLM成形过程中热应力和残余应力分布的影响。研究结果表明,随着扫描速度的降低和扫描间距的增加,成形区域的残余应力逐渐增加。特别地,观察到扫描间距对残余应力的影响更为显著,其影响程度高于扫描速度。通过深入分析热应力和残余应力的分布规律,可以有效改善零件的成形质量,提高成形过程的稳定性和可控性。 根据模拟结果确定的最佳工艺窗口,进行了实验验证,并分析了不同工艺参数对试样力学性能和微观组织的影响。实验结果显示,在扫描速度700 mm/s、扫描间距70 μm的条件下,获得了最佳的(Al2O3+SiC)混杂增强铝基复合材料工艺,得到的材料展现出优异的抗拉强度(413 MPa)和伸长率(5.43%),相比仅使用SLM成形的AlSi10Mg合金,抗拉强度提高了约4.5%。随着扫描速度的提升,试样熔池内部的Al晶粒尺寸逐渐减小,共晶Si组织变为更加规则的网状结构,细晶强化和固溶强化成为力学性能提升的主要原因。